虚拟手术系统是一个通过计算机技术模拟现实手术操作的系统,其除了能为实习医生提供手术训练条件外,还可以在实际手术中为手术医生提供术前规划、术中导航以及术后评价等帮助。而在众多手术操作中,切割作为出现频率最高、最普遍的手术操作,对其进行模拟仿真一直是虚拟手术领域的重点研究内容,但由于软组织结构的复杂性,目前还有诸多难点尚待解决,其大致可分为三类:其一是软组织几何模型的稳定性问题,即当进行切割仿真时,软组织几何结构会遭到一定的破坏,如何维护模型的稳定性是研究切割仿真时必须考虑的问题;其二是伤口的真实性问题,伤口的真实性对切割仿真的视觉效果具有重要影响,逼真的伤口能够让使用者有更强的沉浸感;最后是系统实时性问题,一般而言,采用的体元越多,仿真的逼真度越高,但过多的体元势必会造成计算速率的下降,如何兼顾实时性与真实性一直是该领域亟待解决的难题。针对上述问题,本文围绕软组织建模、切割仿真等关键技术展开深入研究,进行了如下工作:首先,针对基于网格的软组织模型中存在的网格维护工作量大、操作复杂且容易出现模型不稳定的问题,以及基于无网格的模型中存在的积分计算量大、渲染困难等缺点,本文提出了一种基于有网格和无网格的混合切割模型,其采用基于点元无网格法对软组织进行物理建模。该方法是基于物理的建模方法不仅形变效果更加真实,而且对于大形变的模拟也具有不错的效果,因此能够较好满足虚拟手术对于切割模型的要求。为了避免无网格模型中切口难以绘制的问题,采用基于网格的单元分裂法对软组织模型进行切割,并在此基础上使用贝塞尔曲线优化伤口,使得伤口形态与真实伤口更加相似。其次,采用单元分裂法进进行网格重构,而目前常用的Delaunay算法与耳切法在这行模型切割时,其切割面往往呈现空洞状态,这对仿真效果的逼真性有很大影响,为了解决这个问题,一般需要对切割面种具有约束条件的点集上进行网格重构时分别存在计算效率不高以及重构效果不理想的问题。为此本文在传统耳切法的基础上进行改进,提出了一种基于索引的耳切法,其通过引入索引数组的方式不仅实现了对于顶点数组的快速访问,而且保留了原有的顶点数据,同时为了提高切割面的视觉效果,将顶点的凹凸性判断过程融入到三角剖分过程中,从而实现对于顶点凹凸性更为精准的判定,进而达到对切割面更加精准的网格重构。最后,由于软组织结构的复杂性,其切割面通常不止一个,因此正确区分不同的切割面是进行切割面网格重构的必要条件,为此本文提出了一种基于公共边的交线拟合算法,此方法通过将易变量的比较转化为不变量之间的比较,避免了基于公共点的交线拟合算法中由于数值计算带来的不稳定性,从而能够更加精准的区分不同切割面。